Wissenschaftlerteam der Universit?ten Konstanz, Paderborn und der ETH Zürich ver?ffentlicht in ?Nature Communications“
Wissenschaftlern der Universit?ten Konstanz und Paderborn ist es gelungen, die sogenannte Wannier-360直播吧-Lokalisierung zum ersten Mal in einem hochreinen Galliumarsenid-Kristall, der an der ETH Zürich hergestellt wurde, zu realisieren und nachzuweisen. Die Physiker haben damit Hürden überwunden, die auf dem Gebiet der Optoelektronik und Photonik lange als unüberwindbar galten. Mit diesem Durchbruch haben sie es auch in die ?Nature Communications“ geschafft. Das renommierte Fachmagazin ver?ffentlichte jüngst einen Artikel zur Realisierung des neuartigen Quantenzustands in einem Halbleiter. Die kurzzeitige Wannier-360直播吧-Lokalisierung geht einher mit drastischen Ver?nderungen der elektronischen Zust?nde und führt beispielsweise zu extrem gro?en optischen Nichtlinearit?ten und m?glicherweise auch zu ver?nderten chemischen Eigenschaften. Der Artikel ist im Internet aufrufbar unter: https://www.nature.com/articles/s41467-018-05229-x.
?In perfekten Isolatoren und Halbleitern sind die elektronischen Zust?nde über den gesamten Kristall ausgedehnt. Das sollte sich laut einer schon ca. 60 Jahre alten Vorhersage ?ndern, wenn man eine elektrische Spannung anlegt“, erkl?rt Prof. Dr. Torsten Meier von der Universit?t Paderborn. ?Wenn das elektrische Feld im Inneren des Kristalls stark genug ist, k?nnen die elektronischen Zust?nde auf wenige Atome lokalisiert werden. Dieser Zustand wird Wannier-360直播吧-Leiter genannt“, so der Physiker, der an der Universit?t Paderborn auch Vizepr?sident für Internationale Beziehungen ist, weiter.
Das wesentliche Problem sei aber, dass auch perfekte Isolatoren und Halbleiter in starken elektrischen Feldern metallisch würden und dann elektrischer Strom flie?e, erkl?rt Prof. Dr. Alfred Leitenstorfer von der Universit?t Konstanz und erg?nzt: ?Bei diesem Effekt werden die Elektronen in energetisch hohe B?nder beschleunigt. Da dieses Ph?nomen in üblichen Halbleitermaterialien schon bei geringeren Feldst?rken auftritt, als zur Realisierung der Wannier-360直播吧-Lokalisierung notwendig sind, kann dieser Zustand so nicht erreicht werden“.
Einen Ausweg aus diesem Dilemma bietet die ultraschnelle Optik, bei der die für die Wannier-360直播吧-Lokalisierung notwendigen Feldst?rken nur kurzzeitig in Form von elektromagnetischen Feldern im Kristall pr?sent sind. Dazu Leitenstorfer: ?Verwendet man geeignete intensive Lichtimpulse, die aus nur wenigen Schwingungen mit Periodendauern von einigen 10 Femtosekunden bestehen, kann die Wannier-360直播吧-Lokalisierung in einem kurzen Zeitfenster realisiert werden“.
Diese Herausforderungen wurden jetzt in Experimenten überwunden, die am Lehrstuhl für Ultrakurzzeitphysik und Photonik von Prof. Dr. Alfred Leitenstorfer (Universit?t Konstanz) durchgeführt wurden. Die erstmalige experimentelle Realisierung der Wannier-360直播吧-Lokalisierung in einem Galliumarsenid-Kristall wurde durch hochintensive Terahertz-Strahlung mit Feldst?rken von über 10 Millionen Volt pro Zentimeter m?glich. Nachgewiesen wurde dieser Zustand dann über die Ver?nderung der optischen Eigenschaften mittels weiterer ultrakurzer optischer Lichtimpulse. ?Die Messergebnisse stimmen mit theoretischen ?berlegungen und Simulationen überein, die in den Arbeitsgruppen meines Kollegen Prof. Dr. Wolf Gero Schmidt und mir durchgeführt wurden“, so Meier.
Dieser extreme Materiezustand soll zukünftig insbesondere auf atomarer Skala detaillierter untersucht und dessen besondere Eigenschaften nutzbar gemacht werden.
Text: Prof. Dr. Torsten Meier, Prof. Dr. Alfred Leitenstorfer, Nina Reckendorf
